Kanałopatie potasowe. Ujęcie interdyscyplinarne - ebook

AUTORZY

Dr hab. n. med. Justyna Paprocka, prof. uczelni

Wydział Nauk Medycznych w Katowicach

Katedra i Klinika Neurologii Dziecięcej

Śląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach

***

Lek. Andrzej Badeński

Katedra i Klinika Pediatrii

Wydział Nauk Medycznych w Zabrzu

Śląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach

Lek., lek. dent. Marta Badeńska

Katedra i Klinika Pediatrii

Wydział Nauk Medycznych w Zabrzu

Śląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach

Prof. dr hab. n. med. Katarzyna Bieganowska

Klinika Kardiologii

Instytut „Pomnik – Centrum Zdrowia Dziecka” w Warszawie

Prof. dr hab. n. med. Izabela Domitrz

Klinika Neurologii

Wydział Lekarsko-Stomatologiczny

Warszawski Uniwersytet Medyczny

Prof. dr hab. n. med. Małgorzata Janas-Kozik

Katedra i Oddział Kliniczny Psychiatrii i Psychoterapii Wieku Rozwojowego

Wydział Nauk Medycznych w Katowicach

Śląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach

Prof. dr hab. n. med. Przemysława Jarosz-Chobot

Klinika Diabetologii Dziecięcej

Wydział Nauk Medycznych w Katowicach

Śląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach

Prof. dr hab. n. med. i n. o zdr. Halina Jędrzejowska-Szypułka

Katedra i Zakład Fizjologii

Wydział Nauk Medycznych w Katowicach

Śląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach

Lek. Magdalena Nowak

Katedra i Klinika Neurologii Dziecięcej

Wydział Nauk Medycznych w Katowicach

Śląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach

Dr n. med. Jacek Pilch

Katedra i Klinika Neurologii Dziecięcej

Wydział Nauk Medycznych w Katowicach

Śląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach

Dr n. med. Sebastian Seget

Klinika Diabetologii Dziecięcej

Wydział Nauk Medycznych w Katowicach

Śląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach

Prof. dr hab. n. med. Maria Szczepańska

Katedra i Klinika Pediatrii

Wydział Nauk Medycznych w Zabrzu

Śląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach

Prof. dr hab. n. med. Robert Śmigiel

Katedra i Klinika Pediatrii, Endokrynologii, Diabetologii i Chorób Metabolicznych

Wydział Lekarski

Uniwersytet Medyczny im. Piastów Śląskich we Wrocławiu

Lek. Mateusz Tarasiewicz

Klinika Diabetologii Dziecięcej

Wydział Nauk Medycznych w Katowicach

Śląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach

Dr n. med. Krzysztof Maria Wilczyński

Katedra i Oddział Kliniczny Psychiatrii i Psychoterapii Wieku Rozwojowego

Wydział Nauk Medycznych w Katowicach

Śląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach

Dr hab. n. med. Anna Winczewska-Wiktor

Katedra i Klinika Neurologii Wieku Rozwojowego

Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego w PoznaniuPRZEDMOWA

„Mądrość to córka doświadczenia”

Leonardo da Vinci

W imieniu wszystkich współautorów zapraszam Państwa do świata kanałopatii potasowych, gdzie osiągnięcia współczesnej genetyki wkraczają do nauk klinicznych. Umiejętność rozpoznawania i interpretowania zaburzeń na poziomie molekularnym wpływa na rozumienie i postrzeganie nowych rozwiązań terapeutycznych.

Ogromne doświadczenie kliniczne autorów pozwala na nowe spojrzenie na szereg jednostek chorobowych. Książka ma charakter multidyscyplinarny, porusza zagadnienia związane z kanałopatiami potasowymi w padaczce i innych zaburzeniach napadowych, migrenie, kardiologii i nefrologii dziecięcej, psychiatrii dzieci i młodzieży oraz na polu genetyki. Uzupełnienie części klinicznych stanowi fizjologiczny aspekt mutacji w genach kanałów potasowych.

Niektóre z kanałopatii potasowych zostały już szczegółowo opisane i poznane, tak jak w przypadku fenotypów klinicznych padaczki i zaburzeń napadowych, w tym ruchowych, związanych z obecnością wariantów patogennych w genach KCNQ2, KCNT1 czy KCNA1. Obraz kliniczny innych mutacji genów kanałów potasowych to etap wstępnych doniesień, prezentacji niewielkich grup pacjentów czy próba przełożenia wyników badań eksperymentalnych na implikacje kliniczne. Badania kolejnych lat z pewnością poszerzą spektrum objawów klinicznych kanałopatii potasowych, pozwolą na ustalenie korelacji genotyp-fenotyp oraz na zastosowanie terapii spersonalizowanej.

Z serdecznymi podziękowaniami dla wszystkich współautorów.

Na zakończenie kieruję również słowa podziękowania dla Wydawnictwa Lekarskiego PZWL za wsparcie na każdym etapie powstawania niniejszej monografii.

Justyna Paprocka1
FIZJOLOGIA KANAŁÓW POTASOWYCH
HALINA JĘDRZEJOWSKA-SZYPUŁKA

Kanały jonowe znajdują się we wszystkich błonach w komórce – zarówno w błonie komórkowej, jak i w błonach organelli komórkowych – i są integralną ich częścią. Funkcje kanałów zostały poznane dzięki metodzie patch clamp. Za wynalezienie tej metody i pionierskie badania wykonane z jej pomocą Erwin Neher i Bert Sakmann otrzymali w 1991 roku Nagrodę Nobla. Pokazali, że ta metoda pozwala na rejestrowanie aktywności pojedynczych kanałów, co umożliwia określenie wielkości prądów płynących przez kanały, mierzenie ich przewodności, czasu otwarcia i zamknięcia, a także charakteryzowanie ich farmakologicznie. Dzięki informacjom uzyskanym z badań można było stworzyć modele kinetyczne tych kanałów.

Drugim bardzo ważnych odkryciem pozwalającym na poznanie budowy kanałów jonowych było stworzenie przez Rodericka MacKinnona w 1998 roku pierwszej struktury krystalicznej, selektywnego kanału dla jonów potasowych. Wraz z Peterem Agre w 2003 roku otrzymał on Nagrodę Nobla za odkrycie tej struktury i innych kanałów jonowych. Dzięki opisywanym badaniom poznaliśmy budowę białek wchodzących w skład kanałów, a to umożliwiło z kolei poznanie podstawowych właściwości kanałów, jak selektywność dla określonych jonów, mechanizmy aktywacji oraz inaktywacji, a także pozwoliło na tworzenie funkcjonalnych modeli różnych kanałów.

Funkcją kanałów jonowych jest transport jonów z jednej przestrzeni do drugiej oddzielonej błoną komórkową zgodnie z gradientem stężeń na drodze dyfuzji. Kanały te mogą przewodzić określone jony, co oznacza, że posiadają filtr selektywności, która zależy od wielkości i ładunku jonu. Czas otwarcia kanałów jest niezmiernie krótki i trwa kilka milisekund, a jony przemieszczają się z prędkością 10⁶ jonów/s. Transport ten jest średnio tysiąckrotnie szybszy niż odbywający się przez białkowe przenośniki jonowe, ale pozwala na transport jonów jedynie bierny. Trzeba tu jednak zaznaczyć, że określenie np. „kanał potasowy” oznacza wyłącznie to, że najlepiej przepuszcza on jony potasu, ale oprócz nich mogą przez ten kanał przechodzić także inne kationy, tyle że ich przepuszczalność jest znacznie gorsza. Niezależnie od rodzaju kanału jego otwieranie odbywa się według zasady „wszystko albo nic”. Oznacza to, że kanał jest albo zamknięty i nie przepuszcza jonów, albo otwarty i przepuszcza jony maksymalnie, a więc liczba przepuszczonych jonów nie zależy od wielkości czynnika, który ten kanał otwiera.

Jedną z podstawowych cech budowy wszystkich kanałów jonowych jest występowanie w nich tzw. pory wodnej – hydrofilowej przestrzeni wewnątrz białka, przez którą jony mogą przenikać poprzez błonę komórkową.

Rycina 1.1. Przekrój przez kanał błonowy

Pora wodna może ponadto być jedno- lub dwukanałowa. W drugim przypadku jest w stanie transportować dwa różne jony w tym samym kierunku (symportowo) lub w różnych kierunkach (antyportowo).

Rycina 1.2. Sposoby transportu przez kanały jonowe

Cechą charakterystyczną kanałów jonowych jest to, że pora wodna ulega otwarciu lub zamknięciu w zależności od czynników zewnętrznych.

Ze względu na rodzaj czynnika aktywującego dzieli się je na grupy: kanały zależne od napięcia, kanały zależne od liganda, kanały aktywowane naprężeniem mechanicznym (otwierają się w wyniku fizycznej zmiany kształtu), zależne od temperatury (kanały TRP), zależne od kwasowości (acid sensing ion channels – ASICs), zależne od cyklicznych nukleotydów (cGMP i cAMP), zależne od jonów Ca2+, kanały przeciekowe o właściwościach prostowniczych (leakage channels).

Rycina 1.3. Rodzaje kanałów

A – aktywowany napięciem

B – aktywowany ligandem zewnątrzkomórkowym

C – aktywowany ligandem wewnątrzkomórkowym

D – aktywowany mechanicznie

Do najważniejszych i najczęściej występujących należą kanały: napięciozależne, zależne od ligandu i aktywowane mechanicznie.

Kanały napięciozależne

Kanały zależne od napięcia aktywowane są przez wzrost potencjału błonowego, czyli przez depolaryzację lub spadek potencjału błonowego (tj. na skutek hiperpolaryzacji). Wrażliwość kanałów na zmianę potencjału błonowego możliwa jest dzięki obecności w strukturze kanału białka zwanego czujnikiem potencjału (voltage sensor), wrażliwego na zmiany pola elektrycznego w obrębie błony. Aktywność tego czujnika powoduje zmianę konformacji przestrzennej białka kanałowego, co aktywuje tzw. bramkę aktywacyjną i dochodzi do otwarcia pory wodnej.

Kanał taki przewodzi jony bardzo krótko, ponieważ niezależnie od potencjału błonowego dochodzi do aktywacji bramki inaktywacyjnej, co powoduje zahamowanie ich przewodzenia – kanał znajduje się wtedy w stanie inaktywacji. Ponowne jego otwarcie jest możliwe dopiero wówczas, gdy potencjał błonowy powróci do wartości spoczynkowej.

Co bardzo istotne, każdy taki kanał ma tzw. filtr selektywności, który pozwala na przechodzenie przez niego tylko określonych jonów. Jest to możliwe dzięki specyficznym właściwościom białek kanału, które są naładowane albo dodatnio, albo ujemnie – dzięki elektrostatycznemu odpychaniu „niewłaściwych” jonów filtr nie pozwala na ich wejście do wnętrza kanału (ryc. 1.4). Ten typ kanałów jest odpowiedzialny przede wszystkim za zmianę przepuszczalności, co w konsekwencji prowadzi do zmiany potencjału błonowego (depolaryzacji lub hiperpolaryzacji) tkanek pobudliwych.

Rycina 1.4. Budowa kanału napięciozależnego

Kanały zależne od ligandu

Białka tworzące taki kanał mają miejsce receptorowe, z którym może wiązać się ligand, czyli jakiś związek chemiczny lub jon. Miejsca te mogą się znajdować zarówno na zewnątrz komórki (ligand zewnątrzkomórkowy), jak i wewnątrz (ligand wewnątrzkomórkowy).

Rycina 1.5. Kanały zależne od ligandy

Po związaniu ligandu z miejscem receptorowym dochodzi do otwarcia kanału. Wiązanie ligandu jest odwracalne, co powoduje, że odłączenie ligandu skutkuje zamknięciem kanału. Jeżeli stężenie ligandu jest duże, to po odłączeniu jednej cząsteczki dochodzi do natychmiastowego przyłączenia kolejnej; jeżeli jednak ten stan wysokich stężeń utrzymuje się zbyt długo, następuje okresowa utrata przez te kanały wrażliwości na dany ligand. Ten stan nazywamy odczuleniem – ustępuje ono wtedy, gdy stężenie ligandu ulegnie znacznemu obniżeniu. Kanały te klasyfikujemy w zależności od rodzaju substancji, dla której znajduje się receptor na danym kanale. I tak, możemy mieć kanały aktywowane przez acetylocholinę, kwas γ-aminomasłowy itd. Oczywiście i te kanały są selektywne względem różnych rodzajów jonów. Różnorodność kanałów aktywowanych przez ligandy jest ogromna, co powoduje, że regulują one bardzo różne procesy zachodzące w komórkach i są kanałami najlepiej poznanymi. Biorą np. udział w wydzielaniu neuroprzekaźników w synapsach, regulacji procesów fosforylacji białek enzymatycznych, aktywowaniu procesów apoptozy itd.

Kanały otwierane mechanicznie

Kanały te otwierają się pod wpływem bodźców mechanicznych, które powodują odkształcenie błony, czyli dochodzi do pojawienia się naprężeń mechanicznych w tym miejscu na błonie. Dlatego też kanały te znajdują się we wszystkich mechanoreceptorach, których zadaniem jest odebranie zmian mechanicznych i przetworzenie ich na potencjał elektryczny, np. dotyk, ucisk czy ruchy rzęsek w narządzie Cortiego lub narządzie równowagi.

Rycina 1.6. Kanały bramkowane naprężeniem (mechanicznie)

Należy pamiętać, że zmiana naprężeń i otwieranie kanałów może nastąpić również w czasie obrzęku komórek.

Kanały potasowe

Są one grupą kanałów jonowych najbardziej zróżnicowaną strukturalnie i czynnościowo. Kanały potasowe (K+) u ssaków kodowane są przez mniej więcej 80 genów. Wykazują one ekspresję w wielu tkankach i narządach, pełniąc różnorodne funkcje fizjologiczne. Kanały przewodzące kationy potasowe odgrywają zasadniczą rolę m.in. w regulacji potencjału błonowego komórek mięśni gładkich, co wpływa na szerokość naczyń krwionośnych. Umożliwiają przemieszczanie się jonów potasu z i do komórek, co pozwala na tworzenie gradientu potasu, który pomaga ustalić potencjał czynnościowy oraz potencjał spoczynkowy błony komórkowej.

Kanały potasowe zbudowane są z 4 podjednostek (domen), a każda z nich – z 6 segmentów transbłonowych oznaczanych jako S₁ do S₆.

W dalszej części omówimy rolę fizjologiczną i funkcjonowanie najważniejszych grup kanałów potasowych.

Kanały potasowe zależne od ATP

Wykryto je po raz pierwszy w roku 1983 w mięśniu sercowym, a sklonowano w 1995. Znajdują się one w bardzo wielu tkankach i narządach, np. we wspomnianym mięśniu sercowym, w trzustce, mięśniach gładkich, układzie nerwowym. Odgrywają ważną rolę w odpowiedzi komórek na zaburzenia poziomu glukozy (zarówno na hipoglikemię, jak i hiperglikemię) oraz niedotlenienie i niedokrwienie komórek.

Kanał ten zbudowany jest z podjednostek Kir6 (Kir6.1 i Kir6.2) tworzących światło kanału w błonie komórkowej oraz z podjednostek regulatorowych SUR (SUR1, SUR2A i SUR2B), które są receptorami dla sulfonylomocznika.

Pochodne sulfonylomocznika stosuje się od wielu lat w leczeniu cukrzycy. Leki te nasilają wydzielanie insuliny z komórek β-trzustki właśnie przez zamykanie kanałów potasowych ATP-zależnych (K+ATP). Podjednostka regulatorowa SUR wiązać się może nie tylko z pochodnymi sulfonylomocznikiem (stąd nazwa), ale również z Mg/ADP oraz z innymi związkami wpływającymi na otwieranie kanałów K+ATP. Podjednostki Kir6.1 oraz Kir6.2 są do siebie podobne i zawierają mniej więcej w 70% identyczny skład aminokwasowy. Natomiast jednostka regulatorowa SUR składa się z trzech domen: TMD0, TMD1 i TMD2(11) oraz z dwóch domen zlokalizowanych od strony cytoplazmy, które wiążą nukleotydy NBF1 i NFB2. Podjednostki Kir6.x i SURx tworzą heterooktameryczny kompleks, w którym występują połączenia różnych jednostek Kir i SUR w stosunku 4:4 (ryc. 1.7). W zależności

Rycina 1.7. Molekularna struktura kanału K+ATP (na podst. Seino, Miki 2003)

od tego, które podjednostki wchodzą w skład kanałów, będą się one różniły właściwościami elektrofizjologicznymi, farmakologicznymi oraz rozmieszczeniem. Jako przykład możemy podać, że kanały potasowe ATP-zależne w mięśniu sercowym mają strukturę Kir6.2/SUR2A, w mięśniach gładkich naczyń Kir6.1/SUR2B, a w komórkach β-trzustki – Kir6.2/SUR1.

Kanał K+ATP stanowi swoisty czujnik cytoplazmatycznego ATP. Jego wysokie stężenie prowadzi do zablokowania kanału i depolaryzacji błony cytoplazmatycznej komórki, natomiast niskie stężenie ATP powoduje aktywację kanału K+ATP i hiperpolaryzację błony; ATP wiąże się z podjednostką Kir6.2 i każda podjednostka Kir6 wiąże jedną cząsteczkę ATP, dlatego maksymalnie mogą być związane cztery cząsteczki ATP.

Domena NBF-2 (ryc. 1.7) wykazuje aktywność ATP-azy, natomiast NBF-1 takiej aktywności nie przejawia wcale albo w bardzo małym stopniu. Kiedy stosunek ATP/ADP maleje, NBF-1 wiąże ATP, a NBF-2 wiąże MgADP, co powoduje zmniejszenie powinowactwa podjednostki Kir6. do ATP i otwarcie kanału. Odwrotnie, kiedy stosunek ATP/ADP rośnie, spada stężenie MgADP, co skutkuje uwolnieniem MgADP z NBF-2 i odłączeniem ATP z NBF-1 oraz połączeniem się ATP z Kir6., a to w konsekwencji prowadzi do zamknięcia kanału.

W miocytach czynność kanałów K+ATP jest regulowana przez wiele czynników i dostosowana do zapotrzebowania metabolicznego tkanki. Wzrost wewnątrzkomórkowego stężenia ATP powoduje ich zamykanie, a spadek stężenia ATP w komórce powoduje ich otwarcie. Wahania wewnątrzkomórkowego poziomu ATP są niewielkie z wyjątkiem stanów wyraźnych zaburzeń metabolicznych. Podczas niedotlenienia lub niedokrwienia dochodzi do zużycia ATP w procesie przemian metabolicznych, a następnie do obniżenia stężenia ATP w komórce oraz zakwaszenia cytoplazmy. Wywołuje to otwarcie kanałów K+ATP, wypływ jonów K+ z komórki i skrócenie czasu trwania potencjału w komórce po depolaryzacji, a w konsekwencji zapobiega wnikaniu do komórki jonów Ca2+ i ich kumulacji w cytoplazmie komórki. Taki mechanizm występuje w miocytach. Otwarcie kanałów K+ATP w okresie niedotlenienia przeciwdziała bowiem dalszej utracie ATP, która wystąpiłaby w komórce po wniknięciu jonów Ca2+ i pobudzeniu przez nie procesów metabolicznych.

Kanały K+ATP stanowią składową tonicznego rozkurczu naczyń w krążeniu ogólnym (w tym w wieńcowym). Przypuszcza się, że odgrywają one istotną rolę w odpowiedzi rozkurczowej na hipoksję w łożysku wieńcowym, mózgowym i innych, a ponadto regulują przepływ w krążeniu płucnym oraz biorą udział w odpowiedzi czynników rozkurczających naczynia na zmniejszone zapotrzebowanie metaboliczne, np. podczas wysiłku fizycznego.

Grupa leków, która otwiera kanały potasowe, takie jak nikorandyl, kromakalim, czy pinacidil, działają właśnie poprzez aktywację kanałów K+ATP, powodując rozkurcz układowych i wieńcowych naczyń krwionośnych. Doświadczalnie wykazano, że wywołują hiperpolaryzację komórek mięśni gładkich naczyń i wzmagają wyrzut jonów potasu na zewnątrz komórki. Rozszerzenie naczyń spowodowane przez te leki można zablokować przez podanie blokera tych kanałów, np. glibenklamidu.

Ponadto stwierdzono występowanie kanałów K+ATP w takich organellach, jak mitochondria, gdzie prawdopodobnie odgrywają one pewną rolę w mechanizmie hartowania przez niedokrwienie.

Kanały potasowe napięciozależne (Kv)

Są one najczęściej występującymi kanałami w komórkach tkanek pobudliwych, a więc w ośrodkowym i obwodowym układzie nerwowym, a także w komórkach mięśniowych, w tym w mięśniach gładkich naczyń krwionośnych. Odgrywają bardzo ważną rolę w repolaryzacji i hiperpolaryzacji błony, co wpływa na wrażliwość neuronów i ją reguluje. Są one zatem głównymi regulatorami pobudliwości neuronów, a ich fizjologiczna rola polega na stabilizacji potencjału spoczynkowego komórek nerwowych, natomiast antagoniści tych kanałów indukują wystąpienie drgawek padaczkowych. Kanały te aktywnie uczestniczą również w regulacji ścieżek sygnałowych, odpowiedzialnych za procesy apoptozy i proliferacji komórek.

W ludzkim genomie opisano 40 różnych genów kodujących białka tych kanałów, co pozwoliło je podzielić na 12 podrodzin (od Kv1 do Kv12).

Kanały potasowe zależne od napięcia błonowego są tetramerami, a każda podjednostka takiego kanału składa się z sześciu domen transbłonowych oznaczanych jako S1–S6. Pomiędzy domeną S5–S6 znajduje się pętla, tworząc tzw. region P. Obie te domeny wraz z regionem P tworzą porę kanału. Domeny S1–S4 biorą udział w odbieraniu zmian potencjału błonowego i otwieraniu kanału, przy czym najważniejsza jest domena S4, która posiada dodatnio naładowane reszty argininy rozmieszczone w odstępach co trzy aminokwasy i jest właściwym sensorem napięcia błonowego w tym kanale.

Rycina 1.8. Kanały potasowe aktywowane napięciem (na podst. Koprowski, Grajkowski, Kubalski 2005)

Kiedy dochodzi do zmiany potencjału błonowego, rozpoczyna się aktywacja kanału w ten sposób, że czujnik napięcia odbiera informacje o tej zmianie i wykonuje ruch w poprzek błony, co inicjuje otwarcie bramki kanału, a to umożliwia przepływ jonów. Cechą charakterystyczną tych kanałów jest również fakt, że ich inaktywacja pozostaje znacznie wolniejsza niż aktywacja.

Badacze od dawna zastanawiali się nad tym, jak to się dzieje, że kanał potasowy przewodzi większy kation potasowy K+ o średnicy 1,33 Å, nie przewodzi zaś mniejszego kationu sodowego Na+ o średnicy 0,95 Å. Uznano, że kanał ten ma filtr selektywności, który powoduje, że jon potasowy przechodziłby przez niego w stanie odwodnionym (pozbawiony otoczki wodnej), a strukturalna organizacja tego kanału ułatwia jonom potasowym zrzucenie otoczki wodnej. Stwierdzono, że taki filtr selektywności znajduje się w regionie P, a dokładnie w jego części oznaczonej jako region TVGYG. Ze względu na geometrię filtra, którą pokazała struktura krystaliczna, dla jonów potasowych jest to proces znacznie bardziej korzystny energetycznie. Dlatego jony sodowe nie ulegają odwodnieniu i pozostają w przestrzeni centralnej kanału, a jony potasowe ulegają jej i z łatwością przez ten kanał przechodzą. Zależny od potencjału kanał KV otwiera się wtedy, gdy błona komórkowa ulega depolaryzacji, co powoduje wychodzenie jonów potasu z komórki. Kanały te są zamykane w wyniku zmian potencjału wywołanego m.in. wzrostem wewnątrzkomórkowego stężenia jonów wapnia pod wpływem związków kurczących naczynia (naczynia systemowe) w warunkach niedotlenienia. Selektywnym blokerem tego kanału jest 4-aminopirydyna.

Rycina 1.9. Budowa kanału potasowego z uwzględnienie filtra selektywności (na podst. Jiang i in. 2003)

Kanały potasowe bramkowane jonami wapnia

Kanały bramkowane jonami wapnia powszechnie występują w naczyniach krwionośnych. Wśród kanałów potasowych aktywowanych jonami wapnia wyróżniamy kanały o dużej (BKCa), średniej (IKCa) i małej (SKCa) przewodności jonów potasowych.

Kanały potasowe są zbudowane z czterech jednakowych podjednostek α, kodowanych przez geny KCNN3 i KCNN4. Każda podjednostka zawiera sześć transbłonowych domen (S1–S6), z końcem NH₂ i COOH zwróconym do wnętrza komórki.

Rycina 1.10. Kanały potasowe aktywowane przez wapń (na podst. Kloza i in. 2019)

W domenie S4 brak regionu bogatego w argininę, który odpowiada za wrażliwość receptora na zmiany napięcia błony. Właściwą porę kanału zlokalizowano między regionem S5 a S6. Domena S6 połączona jest poprzez koniec karboksylowy z kalmoduliną.

Kanały BKCa są pobudzane przez wzrost wewnątrzkomórkowych jonów wapnia oraz depolaryzację błony komórkowej. Szczególną rolę odgrywają w utrzymaniu spoczynkowego potencjału w komórkach mięśni gładkich naczyń krwionośnych, głównie tych dużych. Kanały błonowe BKCa są uznawane za bardzo czuły endogenny wskaźnik lokalnych wzrostów stężenia jonów Ca2+. Jony wapnia napływają do komórki głównie przez błonowe kanały wapniowe typu L (VGCC-L), które otwierają się zależnie od potencjału. Źródłem jonów wapnia w komórce mięśniowej jest wewnątrzkomórkowe retikulum endoplazmatyczne, uwalniające niewielkie ilości tych jonów przez kanały rianodynowe, które łączą leżące pod błoną komórkową zbiorniki z kanałami błony komórkowej. Lokalny wzrost stężenia jonów wapnia pobudza kanały potasowe BKCa, które są wrażliwe na wzrost wewnątrzkomórkowego stężenia jonów wapnia.

BKCa – duże kanały potasowe aktywowane jonami wapnia

VGCC-L – zależne od potencjału kanały wapniowe typu L (large voltage gated calcium channels)

ER – retikulum endoplazmatyczne

RyR – receptor rianodynowy

Rycina 1.11. Rola wzrostu całkowitego wewnątrzkomórkowego stężenia jonów wapnia w indukowaniu skurczu miocytów i hamowaniu tego efektu przez miejscowy wzrost stężenia jonów wapnia, uwalnianych przez retikulum endoplazmatyczne, aktywujących kanał potasowy (BKCa), co prowadzi do hiperpolaryzacji miocytu i rozkurczu (na podst. Baranowska i in. 2007)

Ta fizjologiczna aktywacja kanałów BKCa stanowi ważny mechanizm buforujący, przeciwdziałający depolaryzacji, a w konsekwencji – skurczowi naczynia pod wpływem czynników kurczących i wzrostowi ciśnienia. Natomiast czynniki rozszerzające naczynia, w tym tlenek azotu, tlenek węgla, kwasy epoksyeikozatrienowe oraz agoniści receptorów β-adrenergicznych pobudzają kanały BKCa bezpośrednio lub za pośrednictwem kinaz białkowych. Kanały BKCa są aktywowane i odgrywają ważna rolę w stanie hipoksji, co prowadzi do znacznego zmniejszenia metabolizmu w objętych hipoksją naczyniach. Farmakologicznymi nieselektywnymi blokerami kanałów BKCa jest jon tetraetyloamoniowy (TEA+), charybdotoksyna bądź selektywnie działająca iberiotoksyna.

Naczynia krwionośne mikrokrążenia, przede wszystkim tętniczki oporowe, zbudowane są z pojedynczej warstwy śródbłonka, oddzielonej od warstwy mięśni błoną podstawną, jednak zachowują stałą komunikację. Natomiast w miocytach małych naczyń oporowych mikrokrążenia występują kanały potasowe zależne od wapnia o małym przewodnictwie SKCa, a w komórkach śródbłonka tych naczyń – kanały potasowe aktywowane jonami wapnia o średnim przewodnictwie IKCa oraz o małym przewodnictwie SKCa. Śródbłonkowe kanały SKCa nie są zależne od potencjału błonowego, natomiast są wrażliwe tylko na jony wapnia związane z kalmoduliną. Śródbłonkowe kanały zarówno SKCa, jak i IKCa odpowiadają za hiperpolaryzację komórek śródbłonka i w ten sposób odgrywają zasadniczą rolę w mechanizmie działania substancji rozszerzających naczynia krwionośne, zależnych od śródbłonka, takich jak np. acetylocholina. Inhibitorami kanałów SKCa, jak i IKCa jest charybdotoksyna z apaminą, natomiast hiperpolaryzacja nie jest znoszona przez iberiotoksynę, która stanowi selektywny bloker kanałów BKCa. Świadczy to o tym, że kanałów tych nie ma w komórkach śródbłonka, a są jedynie w mięśniach gładkich.

Hiperpolaryzacja, która powstaje przez pobudzenie kanałów wapniozależnych SKCa i IKCa, rozprzestrzenia się w komórkach śródbłonka za pomocą złączy typu gap junction i przenoszona jest za pomocą połączeń szczelinowych na komórki mięśni gładkich, powodując ich rozkurcz. Brak informacji na temat regulacji czynności śródbłonkowych kanałów SKCa i IKCa przez czynniki inne niż jony wapnia.

Obecnie trwają badania nad wykorzystaniem aktywatorów i blokerów kanałów potasowych o małej i średniej przewodności jako bardzo prawdopodobny punkt uchwytu działania leków w terapii chorób układu krążenia. Aktywatory tych kanałów obiecująco poprawiają odpowiedź zależną od kanałów potasowych SKCa i IKCa oraz stabilizują funkcję śródbłonka w wielu chorobach sercowo-naczyniowych, zwłaszcza w nadciśnieniu tętniczym.

Kanały potasowe typu TREK

Kanały te biorą udział w powstawaniu potencjału spoczynkowego w komórkach pobudliwych, ponieważ są otwarte w spoczynku, a ich aktywność nie zależy od potencjału błonowego. Wiele prac pokazuje, że są one powszechne w komórkach nerwowych ośrodkowego i obwodowego układu nerwowego, a ich patologię można obserwować w niektórych chorobach ośrodkowego układu nerwowego, takich jak depresja, padaczka, ból neuropatyczny czy udary mózgu.

Nazwa kanały TREK pochodzi od TWIK-related K+ channel, gdzie TWIK jest określeniem innej podrodziny kanałów K+ przeciekowych o tzw. słabych właściwościach dokomórkowych prostowniczych (tandem-pore weak inward rectifier K+ channels).

Kanały jonowe TREK (KCNK2), zwane również kanałami przeciekowymi, należą do dużej rodziny kanałów K+ typu K2P (potassium tandempore channels). Są zbudowane z dwóch domen, a każda z nich ma cztery segmenty przechodzące przez błonę.